一种激光增益模块及用于激光增益模块的液冷循环装置

摘要

本发明提供一种激光增益模块，包括液冷循环装置，该液冷循环装置包括：穿过模块本体的主冷却管，用于容纳并冷却所述激光晶体棒；穿过所述模块本体的副冷却管；同轴安装在所述模块本体两个端面上的第一端子和第二端子；其中，第一、第二端子内部分别具有一个第一、第二空腔，第一、第二空腔与所述主冷却管形成的主冷却腔和所述副冷却管形成的副冷却腔均连通；所述第一、第二空腔内分别具有筒状的第一、第二缓冲环，第一缓冲环将第一空腔分隔成冷却液输入腔和输入缓冲腔，第一缓冲环的筒壁上均匀地设置通孔以使冷却液均匀地从第一缓冲环外侧注入内侧，第二缓冲环将第二空腔分隔成冷却液输出腔和输出缓冲腔，第二缓冲环的筒壁上均匀地设置通孔以使冷却液均匀地从第二缓冲环内侧注入外侧。本发明可提高液冷散热效率，同时还能获得稳定的辐射激光输出。并且本发明结构简单，不额外占用空间。

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，具体地说，本发明涉及用于激光增 益模块的液冷循环装置的改进。

背景技术

激光增益模块一般用于固体激光器。激光增益模块主要包括模块本 体、泵浦源(如靶条)和激光晶体棒。泵浦源和激光晶体棒均安装于模块 本体内部，其中泵浦源用于提供所需要的泵浦光，激光晶体棒用于接收泵 浦光并在在泵浦光的激励下产生激光辐射。在大功率激光增益激光模块 中，泵浦源在提供所需要的泵浦光同时，还会产生一部分废热；而泵浦光 在对激光晶体棒的泵浦过程中除了一部分能量用于有效泵浦，产生激光辐 射外，也会产生大量废热，影响激光输出功率和光束质量。因此必须对激 光增益模块进行制冷。现有大部分激光增益模块多采用水冷循环方式制 冷。在激光模块本体内设置内部水路，并将内部水路与外部水路连通构成 循环回路，使冷却水在压力的作用下经注水孔直接冲击激光晶体棒从而使 激光晶体棒温度下降。

图1A示出了一个现有的激光增益模块的剖面示意图，图1B示出了该 现有的激光增益模块的三维示意图。该激光增益模块主要包括模块本体、 泵浦源、激光晶体棒和液冷循环装置。液冷循环装置包括冷却液循环通道、 制冷机和泵送装置(图1A、图1B中未示出制冷机和泵送装置)，冷却液循 环通道由内置的冷却液输入腔13、主冷却腔10、副冷却腔11、冷却液输 出腔13’和外接的冷却液输送管道(图1A中未示出外接的冷却液输送管道) 组成。其中，冷却液输入腔13和冷却液输出腔13’分别连接冷却液输送管 道的两端。主冷却腔10用于冷却激光晶体棒8，它由一个两端开口的透明 刚性管(如玻璃管)构成，该透明刚性管安装在模块本体9内部。激光晶 体棒置于主冷却腔10中，主冷却腔10长度略短于激光晶体棒8，从而使 激光晶体棒8的两端探出主冷却腔10，以便于激光的输出。副冷却腔11 用于冷却泵浦源(图中未示出)，副冷却腔11的数目可根据泵浦源的数目 作相应的调整，一般地，副冷却腔11安装(或制作)在模块本体9内接 近泵浦源的位置处。冷却液输入腔13由第一压板5和第一端盖3构成。 冷却液输出腔13’由第二压板5’和第二端盖3’构成。冷却液输入腔13 与主冷却腔10、副冷却腔11的输入端均直接连通，类似地，冷却液输出 腔13’与主冷却腔10、副冷却腔11的输出端均直接连通。并且冷却液输 入腔13设有一个冷却液输入口14，冷却液输出腔13’设有一个冷却液输 出口14’，冷却液输入口14、冷却液输出口14’分别用于连接冷却液输送 管道的两端，从而构成冷却液循环通道。为避免影响到激光输出的光路， 一般来说将冷却液输入、输出口分别设置在冷却液输入、输出腔的底部。 并且，由于外接管道过多会占用或影响到光路中其它光学设备的安装空 间，因此，在激光增益模块中通常只设置一个冷却液输入口和一个冷却液 输出口。在上述激光增益模块及其液冷循环装置中，当冷却液(比如冷却 水)的流速较高时会产生湍流，传热更有效，激光晶体棒温度下降会更大， 所以理论上冷却液流速越快，冷却效果就越好。但是，流速的增加也会导 致冷却液对激光棒产生较大冲击，进而使得激光晶体棒发生抖动，导致所 产生的激光辐射缺乏稳定性，降低激光增益模块的输出光质量。

综上所述，当前迫切需要克服上述问题，提供一种既能保证冷却效果， 又不会降低输出光质量的激光增益模块及用于该激光增益模块中的液冷 循环装置。

发明内容

本发明的目的是提供既能保证冷却效果，又不会降低输出光质量的激 光增益模块及用于该激光增益模块中的液冷循环装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种激光增益模块，包括具有轴 线和两个端面的模块本体、泵浦源、激光晶体棒和液冷循环装置，所述液 冷循环装置包括：

沿所述模块本体轴线方向穿过所述模块本体的主冷却管，所述主冷却 管为透明刚性管，所述主冷却管用于容纳并冷却所述激光晶体棒，且所述 激光晶体棒的两端均伸出所述主冷却腔形成两个延伸部；

沿所述模块本体轴线方向穿过所述模块本体的副冷却管，所述副冷却 管为刚性管，用于冷却所述泵浦源；

同轴安装在所述模块本体一个端面上的第一端子，该第一端子内部具 有一个第一空腔，该第一端子内侧(指靠近模块本体的一侧)端面具有主 通孔和副通孔，所述主冷却管与所述第一端子在主通孔处密封连接，使得 所述第一端子内的第一空腔与所述主冷却腔连通；所述副冷却管与所述第 一端子在副通孔处密封连接，使得所述第一端子内的第一空腔与所述副冷 却腔连通；所述第一端子外侧端面具有第一外接通孔(即冷却液输入口)， 用于外接冷却液输送管道以将冷却液输入所述第一空腔；以及

同轴安装在所述模块本体另一个端面上的的第二端子，该第二端子内 部具有一个第二空腔，该第二端子内侧端面具有主通孔和副通孔，所述主 冷却管与所述第二端子在主通孔处密封连接，使得所述第二端子内的第二 空腔与所述主冷却腔连通；所述副冷却管与所述第二端子在副通孔处密封 连接，使得所述第二端子内的第二空腔与所述副冷却腔连通；所述第二端 子外侧端面具有第二外接通孔(即冷却液输出口)，用于外接冷却液输送 管道以将冷却液输出所述第二空腔；

其特征在于，所述液冷循环装置还包括：

位于所述第一空腔内的筒状的第一缓冲环，所述激光晶体棒与所述第 一缓冲环同轴，并且所述激光晶体棒的一个延伸部穿过所述第一缓冲环； 所述第一缓冲环将所述第一空腔分隔成冷却液输入腔和输入缓冲腔两个 部分，其中，所述第一缓冲环内侧是输入缓冲腔，所述第一缓冲环外侧是 冷却液输入腔，所述输入缓冲腔与所述主冷却管所形成的主冷却腔的输入 端连通，所述第一缓冲环的筒壁上均匀地设置通孔以使冷却液均匀地从第 一缓冲环外侧注入内侧；所述冷却液输入腔与所述副冷却管所形成的副冷 却腔的输入端连通；以及

位于所述第二空腔内的筒状的第二缓冲环，所述激光晶体棒与所述第 二缓冲环同轴，并且所述激光晶体棒的另一个延伸部穿过所述第二缓冲 环；所述第二缓冲环将所述第二空腔分隔成冷却液输出腔和输出缓冲腔两 个部分，其中，所述第二缓冲环内侧是输出缓冲腔，所述第二缓冲环外侧 是冷却液输出腔，所述输出缓冲腔与所述主冷却管所形成的主冷却腔的输 出端连通，所述第二缓冲环的筒壁上均匀地设置通孔以使冷却液均匀地从 第二缓冲环内侧注入外侧；所述冷却液输出腔与所述副冷却管所形成的副 冷却腔的输出端连通。

其中，所述第一端子包括依次同轴地安装在所述模块本体一个端面上 的第一端座、第一压板和第一端盖，所述第一端座和所述第一端盖均为盆 状且开口相对，所述第一压板嵌入所述第一端座并与第一端座紧密配合， 所述第一压板与所述第一端盖之间形成所述第一空腔；所述第一外接通孔 设置在所述第一端盖上；

所述第二端子包括依次同轴地安装在所述模块本体另一个端面上的 第二端座、第二压板和第二端盖，所述第二端座和所述第二端盖均为盆状 且开口相对，所述第二压板嵌入所述第二端座并与第二端座紧密配合，所 述第二压板与所述第二端盖之间形成所述第二空腔；所述第二外接通孔设 置在所述第二端盖上；

所述第一压板上设有环形槽，所述第一缓冲环安装在所述第一压板的 环形槽上；所述第二压板上设有环形槽，所述第二缓冲环安装在所述第二 压板的环形槽上。

其中，所述第一缓冲环、第二缓冲环均为圆筒状；所述第一缓冲环的 内径至少为5mm，所述第一缓冲环的外径至多为10mm；所述第二缓冲环 的内径至少为5mm，所述第二缓冲环的外径至多为10mm。

其中，所述第一缓冲环和所述第二缓冲环的筒壁的厚度均为0.4mm ～0.6mm。

其中，所述第一缓冲环上设置一圈或多圈通孔，每圈通孔都设置其所 在圆周的等分点位置处；所述第二缓冲环上设置一圈或多圈通孔，每圈通 孔都设置其所在圆周的等分点位置处。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明可有效缓解冷却液体直接冲击激光晶体棒造成激光棒抖动 而引起的激光辐射不稳定性现象，并获得稳定的辐射激光输出。

2、本发明的液冷散热效率高。

3、本发明结构简单，不额外占用空间，便于光路系统的设计和安装。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1A示出了一个现有的激光增益模块的剖面示意图；

图1B示出了一个现有的激光增益模块的三维示意图；

图2A示出了添加缓冲环后的激光增益模块的剖面示意图；

图2B示出了添加缓冲环后的激光增益模块的三维示意图；

图2C示出了套在激光晶体棒上的缓冲环截面图；

图3示出了添加缓冲环后的激光增益模块的局部放大剖面图；

图4示出了缓冲环三维图；

图5示出了缓冲环剖面图。

图面说明：

1-第一堵头，     1’-第二堵头；

2-第一密封圈，   2’-第二密封圈；

3-第一端盖，     3’-第二端盖；

4-第一缓冲环，   4’-第二缓冲环；

5-第一压板，     5’-第二压板；

6-第一端座，     6’-第二端座；

7-激光模块本体内部的循环冷却液体；

8-激光晶体棒，   8a-第一延伸部；

8b-第二延伸部；  9-激光模块本体；

10-主冷却腔，    10a-主冷却管；

11-副冷却腔；    11a-副冷却管；

12-输入缓冲腔，  12’-输出缓冲腔；

13-冷却液输入腔；13’-冷却液输出腔；

14-冷却液输入口，14’-冷却液输出口；

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种激光增益模块。图2A示出了 该激光增益模块的剖面(沿着模块本体轴线的纵剖面)示意图，图2B示 出了本实施例的激光增益模块的三维示意图。该激光增益模块包括模块本 体9、激光晶体棒8、泵浦源(图2A、图2B中未示出)和液冷循环装置。 液冷循环装置包括冷却液循环通道、制冷机和泵送装置(图2A、图2B中未 示出制冷机和泵送装置)，冷却液循环通道由内置的冷却液输入腔13、输 入缓冲腔12、主冷却腔10、副冷却腔11、输出缓冲腔12’、冷却液输出 腔13’和外接的冷却液输送管道(图2A中未示出外接的冷却液输送管道， 图2B中则示出了部分的冷却液输送管道)组成。其中，冷却液输入腔13 和冷却液输出腔13’通过冷却液输入口14和冷却液输出口14’分别连接 外接的冷却液输送管道的两端。主冷却腔10用于冷却激光晶体棒8，它由 一个两端开口的透明刚性管(如石英玻璃管)构成，该透明刚性管安装在 模块本体9内部。激光晶体棒8置于主冷却腔10中，主冷却腔10长度略 短于激光晶体棒8，从而使激光晶体棒8的两端探出主冷却腔10，以便激 光的输出。副冷却腔11用于冷却泵浦源(泵浦源安装于模块本体9内部， 在图2A、图2B中未示出泵浦源)，副冷却腔11的数目可根据泵浦源的数 目作相应的调整，一般地，副冷却腔11设置在模块本体9内接近泵浦源 的位置处。冷却液输入腔13由第一压板5、第一端盖3和第一缓冲环4构 成。冷却液输出腔13’由第二压板5’、第二端盖3’和第二缓冲环4’构 成。冷却液输入腔13通过输入缓冲腔12与主冷却腔10的输入端连通。 同时，冷却液输入腔13直接与副冷却腔11的输入端连通。冷却液输出腔 13’通过输出缓冲腔12’与主冷却腔10的输出端连通。同时，冷却液输 出腔13’与副冷却腔11的输出端直接连通。并且冷却液输入腔13设有一 个冷却液输入口14，冷却液输出腔13’设有一个冷却液输出口14’，冷却 液输入口14、冷却液输出口14’分别用于连接外部冷却液输送管道的两 端，从而构成冷却液循环通道。输入缓冲腔12由第一缓冲环4、第一压板 5和第一端盖3构成。第一缓冲环4上有均匀设置的多个通孔，以便冷却 液能够以不同方向均匀地从冷却液输入腔13注入输入缓冲腔12。输出缓 冲腔12’由第二缓冲环4’、第二压板5’和第二端盖3’构成。第二缓冲 环4’上也均匀地设置通孔，以便冷却液能够以不同方向均匀地从输出缓 冲腔12’注入冷却液输出腔13’。参考图2C，在增加缓冲环后，激光棒两 端的延伸部均位于缓冲腔内，这种设计可使冷却液体均匀地注入到激光晶 体棒8两端延伸部的四周，从而有效克服激光晶体棒8由于水流冲击所产 生的抖动，这样就可以适当加大冷却水的循环流速，从而在克服了激光晶 体棒8抖动问题的同时使模块的散热效果明显提高。

下面分别对组成本实施例中的液冷循环装置的各个配件做进一步地描 述。

其中，第一端座6和第二端座6’均为圆盆状，分别通过螺纹固定安装 在所述模块本体9的两端，且第一端座6和第二端座6’均开口朝外，用于 嵌入第一压板5和第二压板5’。第一压板5和第二压板5’均为圆盘状， 分别通过螺纹固定安装在所述第一端座6和第二端座6’的外侧端面上，且 第一压板5和第二压板5’分别与第一端座6和第二端座6’紧密配合。第 一端座6和第二端座6’的盆底均具有一个位于中央的主通水孔和三个位于 主通水孔周围的副通水孔。第一压板5和第二压板5’也均具有一个位于中 央的主通水孔和三个位于主通水孔周围的副通水孔。主通水孔用于容纳所述 激光晶体棒8和构成主冷却腔10的主冷却管10a，主冷却管10a为透明刚 性管。所述激光晶体棒8的长度大于所述主冷却管10a，激光晶体棒8的两 端从主冷却管10a伸出，形成第一延伸部8a和第二延伸部8b。副通水孔则 用于容纳构成三个副冷却腔的副冷却管11a，副冷却管11a为刚性管。另外， 第一压板5和第二压板5’的外侧端面具有环绕主通水孔的环形槽，用于嵌 入第一缓冲环4和第二缓冲环4’。第一缓冲环4和第二缓冲环4’均为圆筒 形(图4、图5示出了一个缓冲环的示例)，第一缓冲环4和第二缓冲环4’ 的一端分别嵌在所述第一压板5和第二压板5’的环形槽中。第一端盖3和 第二端盖3’各具有一个能够容纳所述激光晶体棒8的中央开孔，以便激光 辐射输出。第一端盖3和第二端盖3’大体上均为盆状，它们分别扣在第一 端座6和第二端座6’上，并使与第一端座6紧密配合的第一压板5和第一 端盖3之间形成大致呈圆饼状的空腔、同样使与第二端座6’紧密配合的第 二压板5’和第二端盖3’之间形成大致呈圆饼状的空腔。并且，第一端盖3 和第二端盖3’的中央都分别具有用于固定第一缓冲环4和第二缓冲换4’ 的圆形凹槽。装配完成后，第一端盖3与第一压板5紧密接触并压紧第一缓 冲环4，第二端盖3’与第二压板5’紧密接触并压紧第二缓冲环4’，使得 在工作状态下缓冲环的表面充分接触到所述端盖与压板之间的冷却液体7。 第一压板5和第一端盖3之间的空腔被第一缓冲环4分割，在第一缓冲环4 外侧形成冷却液输入腔13，在第一缓冲环4内侧形成输入缓冲腔12。类似 地，第二压板5’和第二端盖3’之间的空腔被第二缓冲环4’分割，在第二 缓冲环4’外侧形成冷却液输出腔13’，在第二缓冲环4’内侧形成输出缓冲 腔12’。另外，第一端盖3和第二端盖3’的侧面下端各具有一个冷却液输 入口14和冷却液输出口14’，用于连接外接的冷却液输送管道，以从激光 增益模块外输入或从激光增益模块内输出冷却液体7。

第一堵头1和第二堵头1’各自具有中央凹槽，分别用于容纳所述激光 晶体棒8的两个端头，第一堵头1和第二堵头1’通过螺纹连接的方式分别 固定到所述第一端盖3和第二端盖3’上。第一密封圈2和第二密封圈2’ 是硅胶制成的O型密封圈，它们用于激光晶体棒两端处的密封。第一密封圈 2和第二密封圈2’分别套在所述激光晶体棒8两端，第一密封圈2通过第 一堵头1和第一端盖3螺纹旋紧压紧，第二密封圈2’通过第二堵头1’和 第二端盖3’螺纹旋紧压紧。

循环冷却液体7采用蒸馏水或纯净水，但容易理解，本发明可采用的循 环冷却液体7并不限于此。激光晶体棒8选用钕玻璃。但容易理解，本发明 激光晶体棒8可采用的材料并不限于此。

第一堵头1、第二堵头1’、第一端盖3、第二端盖3’、第一端座6、第 二端座6’、第一缓冲环4、第二缓冲环4’、第一压板5和第二压板5’均采 用不锈钢加工而成，或者以铜表面镀镍的方式加工而成。压板外圆周与端座 的内圆周之间嵌入环形的密封圈，以使端座和压板间密封。

本实施例中，第一端盖3和第二端盖3’的侧面下端分别具有冷却液输 入口14和冷却液输出口14’，分别连接外接的冷却液输送管道的两端。外 接的冷却液输送管道中一般设置有外部水箱，外部水箱里的冷却水通过所 述端盖侧面的冷却液输入口到达缓冲环外表面，然后通过缓冲环上的小孔注 入到激光晶体棒表面，实现对激光晶体棒的冷却，避免了冷却水直接冲击激 光晶体棒造成激光晶体棒抖动，提高了模块的出光性能同时提高模块的液冷 散热效率。

大功率侧泵模块使用的激光晶体棒的直径一般为2～3毫米，考虑到水压 和水流的速度，激光晶体棒外表面和缓冲环内壁的距离d在大于1.5mm时， 可以获得较好的散热效果，同时不对激光棒产生影响出光质量的冲击。此外 大功率侧泵模块的冷却液流量一般为10～12LPM(LPM即L/min)，冷却液压 力PSI＜50(1PSI＝6.4KPa)，鉴于缓冲环的结构稳定性，缓冲环的厚度为 0.4～0.6mm，当然环越厚越稳定，但是外径受到机械结构设计的限制，不能 太大。一般来说，当缓冲环的内径(指内直径)大于等于5mm，缓冲环外径 (指外直径)小于等于10mm时，可以更好地兼顾散热效果和出光质量两个 方面。

在一个大功率侧泵模块的优选实施例中，激光晶体棒的半径为1.5mm，缓 冲环的内径为8mm，外径为9mm。每个缓冲环上均匀设置12个通孔且12个 通孔分成两圈排列(如图4、图5所示)，通孔为圆形，其直径1mm。

对上述优选实施例进行实测，证明了添加缓冲环后光束质量得到明显改 善。

在环温20℃、冷却液流量为11LPM的同等条件下，未加缓冲环时出光的 功率稳定性分布的RMS值为10％。添加缓冲环后RMS值降为了5％。可见添加 缓冲环使得激光棒出光稳定性增强了一倍。(RMS即均方根，是光束质量的重 要评价函数。RMS值越大表示功率抖动的越厉害。)

需要说明的是，上述实施例为本发明的一个优选实施例，发明本并不限 于此。比如，上述优选实施例采用了端座、压板和端盖组成的结构作为冷却 液输入、输出的端子，但本发明也可以采用其它结构的端子。端子及缓冲环 在结构和位置上满足以下要求即可：第一端子同轴安装在所述模块本体一 个端面上，该第一端子内部具有一个第一空腔，该第一端子内侧端面具有 主通孔和副通孔，所述主冷却管与所述第一端子在主通孔处密封连接，使 得所述第一端子内的第一空腔与所述主冷却腔连通；所述副冷却管与所述 第一端子在副通孔处密封连接，使得所述第一端子内的第一空腔与所述副 冷却腔连通；所述第一端子外侧端面具有第一外接通孔(即冷却液输入 口)，用于外接冷却液输送管道以将冷却液输入所述第一空腔；同轴安装 在所述模块本体另一个端面上的的第二端子，该第二端子内部具有一个第 二空腔，该第二端子内侧端面具有主通孔和副通孔，所述主冷却管与所述 第二端子在主通孔处密封连接，使得所述第二端子内的第二空腔与所述主 冷却腔连通；所述副冷却管与所述第二端子在副通孔处密封连接，使得所 述第二端子内的第二空腔与所述副冷却腔连通；所述第二端子外侧端面具 有第二外接通孔(即冷却液输出口)，用于外接冷却液输送管道以将冷却 液输出所述第二空腔。

第一缓冲环为筒状，位于所述第一空腔内，所述激光晶体棒与所述第 一缓冲环同轴，并且所述激光晶体棒的一个延伸部穿过所述第一缓冲环； 所述第一缓冲环将所述第一空腔分隔成冷却液输入腔和输入缓冲腔两个 部分，其中，所述第一缓冲环内侧是输入缓冲腔，所述第一缓冲环外侧是 冷却液输入腔，所述输入缓冲腔与所述主冷却管所形成的主冷却腔的输入 端连通，所述第一缓冲环的筒壁上均匀地设置通孔以使冷却液均匀地从第 一缓冲环外侧注入内侧；所述冷却液输入腔与所述副冷却管所形成的副冷 却腔的输入端连通；第二缓冲环为筒状，位于所述第二空腔内，所述激光 晶体棒与所述第二缓冲环同轴，并且所述激光晶体棒的另一个延伸部穿 过所述第二缓冲环；所述第二缓冲环将所述第二空腔分隔成冷却液输出腔 和输出缓冲腔两个部分，其中，所述第二缓冲环内侧是输出缓冲腔，所述 第二缓冲环外侧是冷却液输出腔，所述输出缓冲腔与所述主冷却管所形成 的主冷却腔的输出端连通，所述第二缓冲环的筒壁上均匀地设置通孔以使 冷却液均匀地从第二缓冲环内侧注入外侧；所述冷却液输出腔与所述副冷 却管所形成的副冷却腔的输出端连通。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限 制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当 理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方 案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。